Тема 3. Алифатические углеводороды: алканы, алкены, алкины. Способы получения и химические свойства.

3.1. ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКАНЫ)

Изучение предельных углеводородов - начальный этап познавания основного класса органических соединений- углеводородов. Изучению их следует уделить наибольшее внимание. Это вызывается рядом обстоятельств. Поскольку все другие органические вещества могут рассматриваться как производные углеводородов, успехи генетического рассмотрения веществ во многом определяются знанием исходных углеводородов. При изучении углеводородов затрагиваются почти все теоретические вопросы курса, в связи с этим вводится много новых понятий, и от них зависит уровень дальнейшего усвоения предмета.

Прежде всего необходимо иметь ввиду, что углерод в органических соединениях всегда четырехвалентный, что атомы углерода в алканах соединены одной валентной связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода.

Общая формула предельных углеводородов С_nH₂_n₊₂. По структуре они отличаются один от другого на единицу –СН₂– и поэтому образуют гомологический ряд; отдельные члены ряда называются гомологами; группа СН₂ – гомологической разницей. Приступая к изучению углеводородов целесообразно повторить сведения о типах химических связей, о строение атома углерода в стационарном состоянии, возбужденном и гибридизованном.

На основе электронных представлений необходимо иметь понятие, почему у атомов углерода сильно выражено свойство соединяться друг с другом.

Пространственное представление о строение углеводородов складываются из понятий о направленности валентных связей, тетраэдрическом направлении химических связей атома углерода, зигзагообразном строении углеродной цепи, различной форме этих цепей вследствие вращения атомов углерода вокруг связей (конформация). Доступнее всего это сделать на примере метана и бутана.

При изучении предельных углеводородов необходимо научиться составлять структурные формулы изомерных веществ. Следует помнить, что явление изомерии является одним из основных положений теории А. М. Бутлерова. Органические соединения, имеющие одинаковый химический состав, но различную структурную формулу, называются изомерами. Следует заметить, что углеродные атомы, составляющие цепь в молекулах углеводородов и их производных, могут быть первичными, когда они соединены с одним атомом углерода, вторичными – с двумя атомами углерода, третичными – с тремя атомами углерода и четвертичные – с четырьмя. Часто в реакциях одни и те же группы атомов переходят в конечные продукты реакции без изменений. Такие группы атомов называются радикалами. Радикалы называются по тем углеводородам, из которых они образованы, но при этом окончание названий углеводородов «ан», меняется на «ил». Например, СН₄ – метан, - СН₃ – метил, СН₃–СН₃ – этан, - СН₂–СН₃ – этил и т.д.

При написании изомерных формул данного вещества можно пользоваться простым приемом. Исходя из формул изомеров предшествующего гомолога, заменять в них различные по положению атомы водорода (при первичном, вторичном, третичном атомах углерода) группой –СН₃.

Например, если требуется написать изомерные углеводороды состава С₅Н₁₂, сначала пишут формулы изомерных углеводородов состава С₄Н₁₀, которых всего два:

Заменяя различные водородные атомы в формулах изомеров бутана группой СН₃, получает:

При названии изомеров возникают трудности. При этом пользуются рациональной и ИЮПАК (Международной) номенклатурами (см. Методические указания по теме «Номенклатура органических соединений»). Напоминаем, что для построения названия соединения по международной номенклатуре (ИЮПАК) следует:

1. Установить самую длинную цепь углеродных атомов в соединении.

2. Пронумеровать углеродные атомы самой длинной цепи. Направление нумерации выбирают так, чтобы цифры, указывающие положение заместителей, были наименьшими.

3. Вначале называют радикалы (начиная с меньшего по числу углеродных атомов). Перед названием радикала ставится цифра, означающая от какого углеродного атома самой длинной цепи ответвляется называемый радикал. Если углеводород содержит несколько одинаковых радикалов, например, две метильные группы, то после двух цифр, обозначающих их места, называют «диметил-», при наличии трех метильных- «триметил-» и т.д. После названий радикалов называют самую длинную цепь по числу углеродных атомов. Например,

2, 2, 4- триметилпентан

2, 4- диметилгексан

Приступая к изучению химических свойств следует иметь в виду, что предельные углеводороды обладают малой химической активностью (парафины- малоактивные). Для предельных углеводородов характерными реакциями являются реакции замещения (галоидирование, нитрование, сульфирование).

Вопросы для самопроверки.

1. Что называется первичным, вторичным, третичным и четвертичным углеродными атомами?

2. Что такое гомологические ряды и их значение в органической химии?

3. Что такое изомерия? Напишите изомеры гексана и назовите их по ИЮПАК.

4. Какие реакции свойственны предельным углеводородам?

3.2. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Это углеводороды, в молекулах которых все или некоторые атомы углерода соединены между собой двойными или тройными связями..

3.2.1. ЭТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКЕНЫ)

При изучении этой темы следует уяснить, что допущение существования двойной связи (одна из них σ –связь, другая – π -связь) в алкенах соответствует четырехвалентности углерода и хорошо объясняет присоединение галогенов и других веществ к двум соседним углеродным атомам за счет освобождения валентностей при разрыве p - связи.

Сопоставьте названия предельных и этиленовых углеводородов. При названии этиленовых углеводородов по ИЮПАК номенклатуре в качестве главной выбирают самую длинную углеродную цепь содержащую двойную связь, и нумеруют ее так, чтобы двойная связь получила наименьший порядковый номер. Называют длинную цепочку по количеству углеродных атомов так же, как и в случае предельных углеводородов, но вместо окончания –ан пишут окончания –ен. После окончания –ен пишется цифра, указывающая после какого углеродного атома длинной цепочки расположена двойная связь.

2- метилпентен- 2 3- метилпентен- 1

Для этиленовых углеводородов характерны три вида изомерии - структурная, изомерия положения двойной связи, стереоизомерия (цис-, транс- изомерия).

цис–изомер транс-изомер

Следует запомнить следующие способы получения олефинов: дегидратация спиртов, отщепление галогеноводорода от галогенопроизводных.

При изучении химических свойств этиленовых углеводородов следует записать в тетради реакции:

· Гидрирования;

· Присоединения галогенов;

· Присоединения галогеноводородов и воды (гидратация) по правилу В.В. Марковникова;

· Окисления;

· Полимеризации.

Вопросы для самопроверки.

1. Какие углеводороды называются этиленовыми?

2. Напишите структурные формулы 2-метилбутен-1; 2-метилбутен-2; 3-метилбутен-1. Изомерами какого углеводорода они являются?

3. В чем заключается правило Марковникова? Напишите уравнение реакции взаимодействия пропена с НСl.

4. Особенности окисления алкенов в нейтральной и кислой средах. Напишите уравнение реакции окисления пропена в нейтральной и кислой средах.

5. В чем заключается правило Зайцева? Напишите уравнение реакции взаимодействия спиртовой щелочи с 2-бром-2-метилбутаном.

6. Какие промышленные методы получения полиэтилена вы знаете?

3.2.2. ДИЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКАДИЕНЫ)

Обратите внимание, что в зависимости от взаимного расположения двойных связей относительно друг друга диеновые углеводороды делятся на три типа:

· Кумулированные

· Изолированные

· Сопряженные

Из них большое практическое значение имеют углеводороды с сопряженными двойными связями. При изучении химических свойств обратите внимание, что у них химическая активность проявляется по концам сопряженной двойной связи, что можно объяснить с точки зрения современных электронных представлений. Кроме того, углеводороды с сопряженными двойными связями очень легко полимеризуются с образованием высокомолекулярных углеводородов. Это свойство их используется для получения синтетического каучука. Природный каучук является полимером изопрена. Следует выяснить строение природного каучука, а также синтез каучука по методу Лебедева и из ацетилена.

По международной (ИЮПАК) номенклатуре диеновые углеводороды называются так же, как этиленовые углеводороды, только вместо окончания –ен пишется окончание –диен. Положения двойных связей показывают цифрами.

2-метилбутадиен-1, 3(изопрен) пентадиен-1, 3(пиперилен)

Вопросы для самопроверки.

1. Какие углеводороды называются диеновыми углеводородами?

2. Напишите формулы изомеров пентадиена и укажите типы связи (кумулированные, сопряженные, изолированные).

3. Напишите уравнения реакций взаимодействия бутадиена-1, 3 с хлором, водородом, хлористым водородом.

4. Напишите уравнение полимеризации изопрена. Как используется полученный полимер в народном хозяйстве?

5. Напишите схему синтеза каучука по Лебедеву.

3.2.4. АЦЕТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКИНЫ)

Необходимо знать, что к ацетиленовым углеводородам относятся органические соединения, отвечающие общей формуле С_nН₂_n_-2 образующие тройную углерод-углеродную связь.

Называют ацетиленовые углеводороды так же, как и этиленовые, но вместо окончания –ен, пишут -ин. После окончания –ин пишется цифра, показывающая место положения тройной связи в длинной цепи углеродных атомов.

Например,

3-метилпентин-1 пентин-2

Уясните электронное строение тройной связи среди трех связей, соединяющих атомы углерода в ацетилене, одна σ -связь и две π -связи.

π -Связи располагаются в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. При характерной для тройной связи sp-гибридизации орбиталей углеродных атомов электроны оказываются более глубоко втянуты внутрь молекулы и менее реакционноспособными, в то же время большее влияние при соударении с другими молекулами оказывают положительно заряженные ядра.

При рассмотрении химических свойств ацетиленовых углеводородов следует учитывать особенности ацетиленовых связей. Ацетилены, несмотря на большую непредельность, значительно менее активно реагируют с электрофильными реагентами (галогенами), чем этиленовые углеводороды, и в то же время в большей мере чем последние, склонны к реакциям с нуклеофильными реагентами (вода, спирты, амины). Этим же объясняется значительная кислотность ацетиленового водорода.

Из химических свойств обратите внимание на:

· гидрирование,

· присоединение галогенов,

· гидратацию (реакция М. Г. Кучерова),

· полимеризацию,

· образование ацетиленидов.

Вопросы для самопроверки.

1. Какие углеводороды называются алкинами?

2. Напишите формулы следующих соединений: 3-метилбутин-1; 3-метилпентин-1.

3. Напишите уравнения реакций присоединения водорода, хлора, хлористого водорода к ацетилену. В каком случае нужно использовать правило Марковникова?

4. Напишите уравнение реакции взаимодействия ацетилена с водой. Как называется эта реакция?

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒